DE2308251C3 - Einrichtung zur Bestimmung der Richtung eines Fahrzeuges, insbesondere eines Flugzeuges - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung der Richtung eines Fahrzeugs, insbesondere eines Flugzeugs, mit Hilfe eines schwenkenden Laserstrahls sowie mittels eines Spiegels.

Die meisten Flugzeuge sind mit einem Kursanzeigegerät ausgerüstet, das den Wert des Winkels angibt, der jeweils zwischen der Flugzeuglängsachse und der geografischen Nord-Richtung gebildet wird. Bekanntlich müssen die meisten Kursanzeigegeräte bezüglich ihrer Anzeigegenauigkeit oft überprüft werden, und zwar auf Grund der Funktionsbedingungen des Kreisels, den sie enthalten. Dabei ist es üblich, die Kontrolle des Kursanzeigegeräts eines Flugzeugs jeweils unmittelbar vor dem Start vorzunehmen.

Nach einer allgemein üblichen Methode versucht der Pilot, während er sein Flugzeug über eine Rollbahn rollen läßt, deren geografische Richtung ihm bekannt ist, sein Flugzeug auf die Achse dieser Rollbahn auszurichten. Wenn er glaubt, diese Ausrichtung vollzogen zu haben, kann er dann an dem an Bord befindlichen Kursanzeigegerät die Differenz zur wirklichen Kursrichtung ablesen und so das Kursanzeigegerät entsprechend nachjustieren. Diese Schnellmethode ist jedoch relativ ungenau.

Nach einer anderen bekannten Methode wird kurz vor dem Start das Kursanzeigegerät des Flugzeugs mit einem Bezugsgerät verglichen, mit dem die Rollbahn ausgerüstet ist. Aber es ist dabei notwendig, dieses Bezugsgerät an Bord des Flugzeugs zu nehmen, es an einer bestimmten Position im Flugzeug aufzustellen, um dann dessen Anzeige zu kopieren. Unter anderem muß dieses Bezugsgerät selbst sehr häufig überprüft und gegebenenfalls nachjustiert werden, damit seine Anzeige genau bleibt. Die Gesamtheit der erforderlichen Arbeitsgänge beansprucht eine beträchtliche Zeit, die in manchen Fällen nicht zur Verfügung steht, insbesondere, wenn es sich um Militärflugzeuge handelt, deren Start praktisch unmittelbar nach Erhalt des Startbefehls erfolgen muß.

Bei einer bekannten Winkelmeßeinrichtung der eingangs genannten Art (US-PS 35 74 466) sind außer einem am Boden instaälierten Laserstrahler zwei Spiegel vorgesehen, von denen einer rotierend am Flugzeug angebracht ist. Die Ermittlung des zu messenden Winkels erfolgt durch die Messung der Zeitdifferenz zwischen den von den beiden Spiegeln reflektierten Strahlen. Die Notwendigkeit eines rotierenden Spiegels am Flugzeug macht diese Einrichtung sehr umständlich und nachteilig.

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Es ist auch schon bekannt, mehrere Laserstrahlgeräte zu verwenden (FR-PS 20 30 489 und FR-PS 20 76 582), jedoch erfordert deren Anwendung einerseits, daß das Flugzeug unbeweglich auf dem Boden steht und andererseits, daß mehrere Messungen zur Durchführung von trigonometrischen Berechnungen vorgenommen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einer Einrichtung der eingangs genannten Art zu ermöglichen, den Winkelwert des Kurses eines Fahr- oder Flugzeugs auf einfachere Weise und vor allem in sehr kurzer Zeit gersau zu ermitteln.

Erreicht wird dies dadurch, daß in einem mit einer einen schwenkenden Laserstrahl aussendenden Vorrichtung versehenen Bodengerät eine Meßanordnung zur laufenden Bestimmung des Schwenkwinkels des Laserstrahls vorhanden und am Flugzeug ein den Laserstrahl reflektierender Spiegel angebracht ist, der mit der Längsmittelachse des Flugzeugs einen bestimmten Winkel bildet, wobei das Bodengerät ^ferner eine Vorrichtung aufweist, welche auf den am Spiegel in sich selbst reflektierten Laserstrahl anspricht, und mit welcher der Schwenkwinkel des reflektierten Laserstrahls bestimmbar ist.

Diese Einrichtung zeichnet sich durch besondere Einfachheit, leichte Bedienung bzw. Anwendung aus. Es wird nur ein einziger Laserstrahl benötigt, und es ist nur ein einziger Winkel zu ermitteln. Dabei kann der zweite am Fahr- oder Flugzeug befindliche Spiegel dort feststehend angebracht sein. Es läßt sich die Einrichtung auch einfach zur Korrektur bzw. Überprüfung der bordeigenen Instrumente anwenden, indem der Laserstrahl, der eine Rollbahn, über welche das Flugzeug rollt, abtastet, als Bezugsgröße für die Bestimmung der wirklichen Kursrichtung des Flugzeugs dient.

Man macht sich hierbei die schwache Streuung eines Laserstrahls, dessen Richtung man mit großer Genauigkeit bestimmen kann, zunutze.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung sind den Unteransprüchen 2 bis 13 zu entnehmen.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnung wird nun im folgenden die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 schematisch die Anordnung der erfindungsgemäßen Einrichtung,

F i g. 2 schemalisch die Einrichtung der F i g. 1 in Draufsicht,

F i g. 3 schematisch eine Seitenansicht der Einrichtung gemäß F i g. 1 und 2,

F i g. 4 eine Einzelheit der Einrichtung gemäß F i g. 1 bis 3 in größerem Maßstab,

F i g. 5 schematisch eine im Flugzeug installierte Vorrichtung,

F i g. 6 einen Schnitt entlang der Linie 6-6 der F i g. 4, F i g. 7 und 8 Schaubilddiagramme,

Fig.9 ein Blockschaltbild einer anderen Ausführungsform der Bodeneinrichtung.

Der Flugplatz, von dem die Flugzeuge starten sollen, deren Kursanzeigegeräte zu überprüfen sind, ist am Rand einer Startbahn P(F i g. 1) mit einer Bodeneinrichtung 5 ausgerüstet, die in einem Gehäuse 12 einen Laserstrahl-Generator 13 enthält, der einen Laserstrahl /1 (Fig.2) aussendet. Der öffnungswinkel des Laserstrahls /1 Hegt beispielsweise in der Größenordnung von 3 bis 4 Tausendstel Grad. Dieser Laserstrahl f\ durchläuft eine Optik, bestehend aus einer Konvergenzlinse 14 (F i g. 2 und 3), die den Winkel des Laserstrahls auf einen Wert in der Größenordnung von einem Tausendstel Grad reduziert. Der so gebündelte Laserstrahl /"2 verläßt die Linse 14, durchläuft danach eine zylindrisch divergierende Linse 15, Oie unter Beibehaltung des schwachen öffnungswinkels den Laserstrahl in einer horizontalen Ebene empfängt und den öffnungswinkel in einer vertikalen Ebene auf die Größenordnung von etwa 0,5 Grad erweitert, um so den Strahl /"3 zu liefern. Dabei sind die oben angegebenen Zahlenwerte keineswegs als Beschränkung aufzufassen.

In diesem Laserstrahl f3, der einen im wesentlichen elliptischen Querschnitt aufweist, ist ein halbdurchlässiger Spiegel 16 unter 45° angeordnet, der etwa den gleich großen Anteil durchläßt wie er reflektiert, wobei der den Spiegel geradlinig durchlaufende Strahl /"4 auf eine Facette 17 (Fig.4) einer mit Spiegelfacetten versehenen Trommel 18 auftrifft, die um eine vertikale Achse 19 drehbar gelagert ist. Die Anzahl der Spiegelfacetten 17 beträgt beispielsweise 72, wobei diese Zahlenangabe wie alle übrigen Zahlenangaben keineswegs beschränkenden Charakter haben soll. Die Trommel 18 wird von einem Motor 19' in Drehung versetzt. Mittels eines Handrads 20, das im Übertragungsweg zwischen dem Motor 19' und der Trommel 18 vorgesehen ist, wird die Drehzahlregulierung der Trommel 18 vorgenommen.

Die Reflexion des Laserstrahls /"4 an einer Facette 17 der Trommel 18 liefert einen Strahl ^6, der eine dünne planparallele Platte 23 durchläuft. Diese planparallele Platte 23 weist einen sehr geringen Reflexionseffekt auf derart, daß der durchgehende Anteil des Strahls wesentlich höher ist als der reflektierte Anteil. Der durchgehende Anteil beträgt etwa 98%, während der reflektierte Anteil etwa 2% beträgt.

Der Strahl /7, der die dünne Platte 23 durchläuft, überstreicht die Piste P im Laufe der Drehung der Trommel 18. Diese Streuung entspricht dem Durchlaufen einer Facette 17 vor dem Strahl /"4 von einer Kante 24 dieser Facette, wo der Strahl Π entlang der Linie 25 abgeleitet wird, bis zu der gegenüberliegenden Kante 26 dieser Facette, wo der Strahl /"7 entlang der Linie 27 abgelenkt wird. Die Linien 25 und 27 bilden die Grenzen des Streuungswinkels des Strahls /7.

Der Strahl /8, der aus der partiellen Reflexion des Strahls /"6 an der dünnen Platte 23 resultiert, wird durch eine Linse 28 gebündelt und fällt auf eine fotoelektrische Zelle 29, und zwar jedesmal dann, wenn der Strahl /6 von dem Teil einer Facette 17 ausgeht, der unmittelbar neben einer Kante 24 liegt.

Wenn im Verlauf der Streu- oder Schwenkbewegung der Strahl Π von einem außerhalh der Anordnung liegenden Spiegel in sich selbst reflektiert wird, wie es beispielsweise beim Strahl /9 der Fall ist, so wird er, nachdem er auf seinem Rückweg die dünne Platte 23 mit geringem Verlust durchlaufen hat, von der Facette 17 zum Strahl /Ί0 reflektiert und danach von dem halbdurchlässigen Spiegel 16 in Form des Strahls /5 abgelenkt, der durch die Optik 21 auf dem Weg zur fotoelektrischen Zelle 22 gebündelt wird.

Das Flugzeug -4, dessen Kursanzeigegerät D(F i g. 1) zu justieren ist, weist einen fest mit dem Gerät D verbundenen Spiegel 31 (F i g. 5 und 6) auf, der an einer Wand 30 des Geräts Dangeordnet ist, die vorzugsweise in einer zur Mittellinie des Flugzeugs parallelen Ebene liegt oder dazu einen bekannten Winkel bildet. Dieser Spiegel 31 weist auf seiner wirksamen Seite eine Folge von reflektierenden Flächen 32, 33 usw. auf, die zueinander einen Winkel von 90° bilden. Der Spiegel 31

ist somit halb-katoptrisch, d. h., daß er den einfallenden Strahl ohne Veränderung seiner Lage reflektiert.

Der Spiegel 31 kann z. B. im wesentlichen rechteckförmig ausgebildet sein und eine Höhe von etwa 6 cm sowie eine Breite von etwa 4 cm aufweisen. Er kann hinter einer Luke 34 des Flugzeugs angeordnet und durch eine Fallklappe geschützt sein. Eine Fotozelle 35 ist unmittelbar neben dem Spiegel 31 an der Wand 30 befestigt.

Die Funktionsweise der eben beschriebenen Vorrichtung ist folgende:

Vor dem Start rollt das Flugzeug, dessen Kursanzeigegerät D nachzujustieren ist, langsam auf die Piste P, und zwar ohne daß der Pilot sich damit beschäftigen muß, eine bestimmte auf der Piste markierte Richtung genau einzuhalten. Durch die erfindungsgemäße Einrichtung wird die Piste horizontal periodisch von dem Laserstrahl /7 überstrichen, und zwar in einem sehr schmalen Bereich durch eine horizontale Ebene, aber in einem relativ ausgedehnten Bereich durch eine querverlaufende senkrechte Ebene: Das Bestreichen findet statt von der Begrenzung 25, die der Reflexion des Strahls /"4 auf dem Teil der Facette 17 entspricht, der unmittelbar neben der Kante 24 liegt, bis zu der Grenzlinie 27, die der Reflexion des Strahls /4, die auf der Facette 17 unmittelbar in der Nähe der Kante 26 stattfindet, entspricht. Danach beginnt die Bestreichung augenblicklich wieder bei der Linie 25 bis zur Linie 27 usw. Im Schaubild der F i g. 7 ist auf der Abszisse die Zeit und auf der Ordinate der Schwenkwinkel des Strahls Π aufgetragen. Die Winkelposition der Achse des Laserstrahls Π ist die Linie m 1 mit dargestellt, deren Ursprung a 1 der Reflexion des Strahls f4 einer Facette 17 in der Nähe der Kante 24 entspricht und wobei der Punkt a 2 der Reflexion dieses Strahls auf dieser Facette 17 unmittelbar neben der Kante 26 entspricht. Da die empfindliche Fotozelle 29 so angeordnet ist, daß sie von dem Strahl /"8, der von der planparallelen dünnen Platte 23 reflektiert wird, jedesmal dann getroffen wird, wenn der Strahl i6 von dem unmittelbar neben der Kante 24 liegenden Bereich der Facette ausgeht, ist der von ihr durch den Empfang des Strahls /8 erzeugte Impuls durch die Linie rl in Fig.8 dargestellt, wobei in dem Diagramm der F i g. 8 die Zeiten auf der Abszisse genau senkrecht unter dem Punkt a 1 eingetragen sind, und die Ausgangspunkte der Zeiten in den Fig.7 und 8 genau senkrecht untereinander liegen.

Wenn im Laufe der Fahrbewegung des Flugzeugs A auf der Piste der Strahl /7 auf den im Flugzeug angeordneten Spiegel 31 auftrifft, wird er dann zum Strahl /9 reflektiert, der genau auf der Bahn des einfallenden Strahls liegt, wenn in diesem Augenblick der horizontale Abschnitt des Spiegels 31, genauer gesagt die Kanten 36 des Spiegels 31 und die Wand 30 des Geräts D gemeinsam zum Strahl /7 senkrecht stehen. Der Strahl /9 verlauft in diesem Augenblick rückwärts auf dem Strahl /7, er wird von der Facette 17 der Trommel 18 reflektiert und nach der Reflexion auf der halbdurchlässigen Platte 16 durch die Linse 21 gebündelt und auf die Zelle 22 geleitet. Diese gibt einen Impuls r 2 ab, wie das in P i g. 8 dargestellt Ist.

Wenn Co die Richtung 1st, die der Richtung des Laserstrahls im Punkt Al des Diagramms der Pig.7 entspricht, so ist das Zeitintervall zwischen den Impulsen rl und r% ein MaD für den Winkel «, um welchen sich der Strahl /7 von der Grenzlinie 29 entfernt hat, bevor er auf den Spiegel 31 traf. Die Messung dieses Zeitintervalls bestimmt also den Winkel α.
Wenn der Strahl /7 auf den Spiegel 31 auftrifft, trifft er auch die fotoelektrische Zelle 35. Während der ersten Schwenkbewegungen wird der vom Generator 13 ausgesandte Laserstrahl nicht moduliert. Ein z. B. auf 5 MHz abgestimmtes Filter, das hinter der Zelle 35 angeordnet ist, ist nicht durchlässig. In dem Augenblick,

ίο wo die Zelle 22 der Bodeneinrichtung erregt wird, d. h. im Augenblick der Richtungsmessung, wird der Laserstrahl auf 5 MHz moduliert. Der Impuls, der dann das Filter durchläuft, wird dazu benutzt, die Speicherung der durch das Gerät D angezeigten Richtung zu bewirken. Die Kenntnis der Richtung C und der Vergleich mit dem Wert (Co + «), der die wirkliche Richtung angibt, ermöglicht die Ermittlung des Werts Δ C, um den das Gerät D korrigiert werden muß, um es auf den richtigen Richtungswert einzustellen. Bei dem in

so F i g. 9 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Bodeneinrichtung mit einem Modulator 50 zur Modulation des vom Generator 13 ausgesendeten Laserstrahls /1 ausgerüstet. Dieser Modulator 50 kann mit einer ersten Frequenz von beispielsweise 5 MHz arbeiten, solange der schematisch dargestellte Schalter 51 mit dem Ausgang 52 eines Frequenzmodulationssteuergeräts 53 verbunden ist. Das Steuergerät 53 ist durch eine Leitung 54 auf die Zelle 22 geschaltet. Diese ist zugleich durch eine Leitung 55 mit einem die wirkliche Richtung errechnenden Rechner 56 verbunden, der sich in der Bodeneinrichtung befindet und von dem ein weiterer Eingang 57 mit der Zelle 29 verbunden ist. Der Ausgang

58 des Rechners 56 ist mit einem Frequenzsteuergerät

59 verbunden, das in der Lage ist, den Modulator 50 mit der einen oder anderen von zwei Modulationsfrequenzen arbeiten zu lassen, z. B. 6 oder 7 MHz in Abhängigkeit von den am Ausgang 58 des binären Rechners 56 anstehenden Signalen, und den wirklichen Richtungswert zu übersetzen.

Wenn der horizontale Bereich des Spiegels 31 zum Strahl /7 senkrecht steht, wird die Zelle 22 der Bodeneinrichtung durch den zurückkommenden Strahl /"9 erregt. Der Modulator 50 ist durch den Schalter 51 auf das Frequenzmodulationssteuergerät 53 geschaltet.

Wenn die Facette 17, die derjenigen folgt, welche den Strahl /7 erzeugt hat, der in sich selbst durch den Spiegel 31 reflektiert wurde, den Strahl /"4 passiert, wird dieser Strahl moduliert: Der modulierte Strahl, der die Zelle 35 praktisch beispielsweise 1 Millisekunde nach

der Reflexion des Strahls /7 auf dem Spiegel 31 erreicht

(falls die Schwenkfrequenz 1 kHz beträgt) wird dazu

benutzt, die Richtungsanzeige des Geräts D zu

speichern.

Die Erregung der Zelle 22 dient ebenso mit dem vor

SS der Zelle 29 erzeugten Impuls zur Berechnung dei wirklichen Richtung des Plugzeugs im Rechner 56 Dieser Richtungswert wird in das Flugzeug übertrager durch den Laserstrahl /7 selbst, mittels der Modulation die ihn unterbricht, mit Hilfe des Modulators 3!

entsprechend den beiden unterschiedlichen Charakter! stischen Frequenzen der Signale, die den wahret Richtungswert des Flugzeugs übersetzen. Im Fall dei Übertragung eines aus 15 Signalen dargestellten Wert! wird diese Übertragung im Laufe des Vorbeidrehen

6j von 15 Facetten der Trommel 18 vor dem Strahl Λ bewerkstelligt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Bestimmung der Richtung eines Fahrzeugs, insbesondere eines Flugzeugs, mit Hilfe eines schwenkenden Laserstrahls sowie mittels eines Spiegels, dadurch gekennzeichnet, daß in einem mit einer einen schwenkenden Laserstrah! (77) aussendenden Vorrichtung (13 bis 18) versehenen Bodengerät (S) eine Meßanordnung zur laufenden Bestimmung des Schwenkwinkels (α) des Laserstrahls (77) vorhanden und am Flugzeug (A) ein den Laserstrahl (77) reflektierender Spiegel (31) angebracht ist, der mit der Längsmittelachse des Flugzeugs einen bestimmten Winkel bildet, wobei das Bodengerät (S) ferner eine Vorrichtung aufweist, welche auf den am Spiegel (31) in sich selbst reflektierten Laserstrahl (79) anspricht, und mit welcher der Schwenkwinkel des reflektierten Laserstrahls bestimmbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bodengerät (S) eine prismenartige Walze (18) mit reflektierenden Spiegelflächen (17) aufweist, welche sich um eine vertikale Achse (19) kontinuierlich dreht und auf welche in ihrer horizontalen Mittelebene ein von einem Lasergenerator (13) erzeugter, in seiner Richtung fixierter Strahl (Fl, /2, /3, /4) gerichtet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (73) in der Horizontalen scharf gebündelt ist und in der Vertikalen einen wesentlich größeren Divergenzwinkel aufweist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bodengerät (S) eine erste fotoelektrische Zelle (29) aufweist, die vom Laserstrah! (F8) erregt wird, wenn dieser sich in einer Grenzlage (25) seines Schwenkbereichs (25/27) befindet.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bodengerät (S) eine zweite fotoelektrische Zelle (22) besitzt, welche jeweils vom Laserstrahl (/9, /Ί0, /5) erregt wird, wenn dieser in sich selbst an dem Spiegel (31) des Flugzeugs /AJ reflektiert wird.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (31) des Flugzeugs (A) halb-katoptrisch ist, d. h., daß er den einfallenden Strahl ohne Veränderung seiner Lage reflektiert.

7. Einrichtung nach Anspruch 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (31) eine rechteck!- ge Form besitzt, deren vertikale Ausdehnung wesentlich größer ist als die horizontale Ausdehnung.

8. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß am Flugzeug (A) oberhalb des Spiegels (31) ein mit einem Kursanzeigegerät (D) des Flugzeugs (A) verbundenes lichtempfindliches Element (35) angeordnet ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bodengerät (S) einen von der zweiten fotoelektrischen Zelle (22) gesteuerten Frequenzmodulator (50) für den Laserstrahl (Fl) besitzt.

10. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bodengerät (S) mit einem Kursrechner (56) ausgerüstet ist, welcher mit der ersten Zelle (29) verbunden ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch

gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (Fl) zur Übertragung des errechneten Kurswerts zum Flugzeug (/ψ benutzt wird.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Bodengerät (S) eine Vorrichtung (53/59) aufweist, welche den Laserstrahl (71) entsprechend dem vom Rechner (56) in digitaler Form gelieferten Kurswert auf zwei Frequenzen moduliert.

13. Einrichtung nach Anspruch 8 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Apparatur (D) des Flugzeugs (A) eine von dem lichtempfindlichen Element (35) gesteuerte Vorrichtung zum Empfang des von dem auf zwei Frequenzen modulierten Laserstrahl (Fl) übertragenen Kurswerts besitzt.